陳磊

摘要：研究木材熱處理后樣品的微觀(guān)表面形貌和粗糙度及方差變化，在圖像與數(shù)據(jù)相互佐證的情況下，總結(jié)木材樣品在熱處理時(shí)間不同的情況下的變化規(guī)律，起到為以后的科研生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)參考的作用。將4種木材的試樣分為4組，其中一組不進(jìn)行任何處理;其他3組試樣放入熱處理箱中，整個(gè)過(guò)程中采取水蒸汽保護(hù)，恒溫180℃。隨后將分組的試樣放入恒溫恒濕的環(huán)境中進(jìn)行調(diào)制。接著在掃描電鏡下對(duì)試樣進(jìn)行觀(guān)察和拍攝，并使用表面粗糙度測(cè)定儀對(duì)其進(jìn)行粗糙度測(cè)量。同時(shí)對(duì)切片進(jìn)行噴金處理形貌觀(guān)測(cè)。馬尾松4種樣品的粗糙度在1 h時(shí)變得比未處理樣品大，隨后才隨熱處理時(shí)間增加而減小。北美短葉松4種樣品的粗糙度在1 h時(shí)變小，隨后又因?yàn)闊崽幚頃r(shí)間變長(zhǎng)，粗糙度增加。杉木4種樣品的粗糙度隨熱處理時(shí)間增加而逐漸減小。毛白楊4種樣品的粗糙度在1 h時(shí)變得比未處理樣品大，隨后才隨熱處理時(shí)間增加而減小。4種樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與微觀(guān)圖觀(guān)測(cè)到的一致。關(guān)鍵詞：熱處理;粗糙度;微觀(guān)形貌;木材

1.緒論

木材熱處理改性后，其粗糙度的變化規(guī)律一直得到各界廣泛的關(guān)注。在前人的大量文獻(xiàn)中就可以看出，木材熱處理后其粗糙度的變化規(guī)律若得到更細(xì)致更明確的總結(jié)，對(duì)板材膠合、涂飾工藝有著一定的參考價(jià)值。本文將在前人研究的基礎(chǔ)上，重新對(duì)4種木材進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行記錄，對(duì)木材試樣熱處理前后粗糙度進(jìn)行測(cè)量及統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合掃描電鏡圖，以便得出木材試樣的熱處理粗糙度變化規(guī)律。

木質(zhì)材料熱處理改性首先取決于熱質(zhì)傳遞問(wèn)題[1]，可以通過(guò)輔助改性提高導(dǎo)熱性能[2]。木材高溫?zé)崽幚磉^(guò)程的二維數(shù)學(xué)模型可以用來(lái)預(yù)測(cè)高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中木材在厚度方向上的溫度和含水率分布[3]，據(jù)木材各向異性特征建立了木材縱向和橫向?qū)嵯禂?shù)模型[4]。木質(zhì)材料改性后，表面材色、尺寸穩(wěn)定性和化學(xué)性能都發(fā)生顯著變化，拓展了木材的應(yīng)用領(lǐng)域。常溫條件下熏蒸色差值變化輕微[5]，飽和水蒸氣或氮?dú)獗Ｗo(hù)下趨近于珍貴材顏色[2，6，7]，真空木材炭化控制系統(tǒng)可以保證木材炭化后的質(zhì)量[8，9]。熱處理顯著提高木材尺寸穩(wěn)定性[10]，炭化單板與木塑一次熱壓成戶(hù)外用木地板性能優(yōu)良[11]，或?qū)⒛举|(zhì)材料與脲醛樹(shù)脂浸注處理后吸水率則顯著降低[12]，為實(shí)木拼板質(zhì)量提供新的解決思路[13]。熱處理改性后揮發(fā)性有機(jī)化合物發(fā)生變化[14]，熱處理材抽提物的含量和成分改變而具有保健功能的成分部分保留[15]。就其表面粗糙度而言，雖然細(xì)胞壁受到破碎[16]，但是一般情況下是熱處理后粗糙度降低[17，18]，無(wú)論是針葉材還是闊葉材[19，20]。

木材在通過(guò)高溫?zé)崽幚頃r(shí)，其本身的表面形貌及粗糙度的參數(shù)會(huì)改變。但因木材樹(shù)種不一樣，其粗糙度變化不一樣，變化規(guī)律也不一樣。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)清晰的電鏡掃描，可以很好的對(duì)比其實(shí)驗(yàn)前后，及熱處理時(shí)間不同的情況下，其樣品微觀(guān)表面的具體變化情況，再通過(guò)結(jié)合精確的粗糙度測(cè)量數(shù)據(jù)，來(lái)解釋其粗糙度變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)使用掃描電鏡及表面粗糙度測(cè)定儀來(lái)觀(guān)測(cè)馬尾松、北美短葉松、杉木、毛白楊4種木材在熱處理前后的表面粗糙度。依靠建立數(shù)據(jù)柱形圖和微觀(guān)形貌圖來(lái)總結(jié)其規(guī)律變化。并與前人的研究結(jié)果作對(duì)比，對(duì)相同的理論進(jìn)行支持，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的則進(jìn)行討論。這對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體結(jié)構(gòu)[21]、防腐[22]、防霉變[23]和木質(zhì)建筑的濕熱性能評(píng)價(jià)[24]都有重大意義。

2.材料與方法

2.1 材料

馬尾松（Pinus massoniana Lamb.）、北美短葉松（Pinus banksiana Lambert）、杉木（Cunninghamia lanceolata）和毛白楊（Populus tomectosa）。

2.2 方法

鋸材自然干燥，含水率降至約12%左右制樣，試件尺寸為300 mm×30 mm×30 mm。隨后將試樣分為4組，第一組作為對(duì)比試樣，不做任何處理;第二組熱處理1 h，第三組處理2 h，第三組處理4 h。處理時(shí)，將試樣放入熱處理箱中，整個(gè)過(guò)程中采取水蒸氣保護(hù)，處理溫度為恒定180℃，而且除熱處理時(shí)間改變之外，其它條件不變。熱處理結(jié)束后，將分組的試樣標(biāo)好記號(hào)，放入恒溫恒濕的環(huán)境中進(jìn)行調(diào)制。此時(shí)所有條件不變，溫度設(shè)定為20℃，濕度設(shè)定為65%，調(diào)制時(shí)間為14 d。之后利用表面粗糙度測(cè)定儀（日本HANDYSURF，E-35B）觀(guān)察試樣表面粗糙程度，試樣為與接觸角使用同批試樣。待液滴自然風(fēng)干后測(cè)量，每個(gè)試樣測(cè)量5次，沿木材紋理方向測(cè)量，測(cè)量長(zhǎng)度12.50 mm，評(píng)定長(zhǎng)度2.5 mm。同時(shí)進(jìn)行形貌觀(guān)測(cè)，利用掃描電子顯微鏡（日本日立，S-3400N）在試件未破壞表面切片厚約0.1 mm的木片，噴金處理進(jìn)行形貌觀(guān)測(cè)。

3.結(jié)果與分析

3.1 馬尾松木材熱處理后粗糙度及形貌分析

馬尾松在蒸汽保護(hù)下進(jìn)行熱處理，其熱處理時(shí)間及表面形貌情況由圖1可知，在微觀(guān)形貌上，熱處理1 h樣品相對(duì)于未處理材而言，表面多了大塊的鱗片狀顆粒，少許的細(xì)小的溝槽變成了表面大片的劈裂現(xiàn)象，故熱處理1 h樣品比未處理材要粗糙。接著在2 h、4 h處理材的圖像上，隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，木痕深度變小，木痕變少，樣品表面與熱處理1 h相比，表面變得更平滑。故可以看出，處理1 h的樣品表面最為粗糙，而2 h與4 h樣品的裂痕比未處理樣品的裂痕少，故未處理樣品的粗糙情況甚于二者。

同時(shí)由圖2得知在熱處理4 h時(shí)樣品柱型圖最低，即粗糙度最小;熱處理1 h的樣品柱型圖最高，即粗糙度最大;兩者差值為3.28 μm。而2 h和未處理樣品的粗糙度居中，但熱處理2 h樣品的粗糙度數(shù)值與未處理樣品的粗糙度數(shù)值接近，但2 h的粗糙度略小于未處理樣品。同時(shí)可以看到，熱處理過(guò)程中，樣品的粗糙度下降很大，說(shuō)明馬尾松受熱處理影響較大。

由于馬尾松在加熱1 h時(shí)，受熱處理影響，導(dǎo)致其樣品表面裂痕變深變大，整體性較差，所以粗糙度比未處理更高，而隨著熱處理時(shí)間的增加，其粗糙度又逐漸變小，樣品表面逐漸變穩(wěn)定。其樣品粗糙度在2 h時(shí)與未處理材接近，4 h時(shí)則低過(guò)未處理材。若將熱處理1 h、2 h、4 h進(jìn)行對(duì)比，則發(fā)現(xiàn)隨熱處理時(shí)間的增加，其樣品表面粗糙度變小。

3.2北美短葉松木材熱處理后粗糙度及形貌分析

在蒸汽保護(hù)熱處理的情況下，北美短葉松不一樣的熱處理時(shí)間得到了不一樣的粗糙度數(shù)據(jù)和圖片。由圖3可知，在微觀(guān)形貌上，熱處理1 h樣品上的碎片比未處理的少，故其粗糙度較低，但隨著熱處理時(shí)間的增加，木材表面出現(xiàn)了深而大的裂痕，同時(shí)碎片增多，故熱處理2 h比熱處理1 h粗糙，到了4 h時(shí)，樣品形貌劈裂比未處理時(shí)更嚴(yán)重。而圖片上2 h樣品表面的碎片情況與未處理相比略少，故其粗糙度也比未處理的略低。

同時(shí)由圖4可知，整個(gè)熱處理過(guò)程中，木材樣品粗糙度表現(xiàn)為先減小后增大。其中熱處理4 h的樣品粗糙度最大，其數(shù)值為4.50 μm;熱處理1 h的樣品粗糙度最小為3.55 μm;上升了0.95 μm。而熱處理2 h樣品的粗糙度與未處理樣品的粗糙度接近，但未處理樣品粗糙度比2 h大0.04 μm。而且在熱處理2 h、4 h過(guò)程中，樣品柱形圖之間差距不大，說(shuō)明長(zhǎng)時(shí)間處理對(duì)北美短葉松的粗糙度改變不大。

可得出結(jié)論，北美短葉松在加熱1 h時(shí)，適當(dāng)時(shí)間的熱處理使得其樣品表面逐漸變得穩(wěn)定，碎片量也減少，表面與未處理樣品相比也較光滑。而隨著熱處理時(shí)間的增加，其樣品表面受到破壞，樣品表面逐漸明顯的開(kāi)裂。其樣品粗糙度在2 h之后超過(guò)了未處理材，4 h時(shí)粗糙度則更高，但4 h的樣品表面比未處理的要穩(wěn)定。若將熱處理1 h、2 h、4 h進(jìn)行對(duì)比，則發(fā)現(xiàn)隨熱處理時(shí)間的增加，其樣品表面粗糙度增加。

3.3 杉木木材熱處理后粗糙度及形貌分析

杉木在蒸汽保護(hù)下進(jìn)行熱處理，其熱處理時(shí)間及粗糙度形貌數(shù)據(jù)結(jié)合圖5可知，在微觀(guān)形貌上，熱處理4 h與其他樣品相比最為光滑，具體表現(xiàn)在裂痕之間距離更小，物體之間變緊湊。而未處理材則溝壑較多，明顯比所有熱處理材都要粗糙。而處理1 h和2 h表面則存在細(xì)小的溝槽裂縫，并呈現(xiàn)花紋狀，可知這兩種樣品的粗糙度居中，但1 h表面依舊存在明顯的溝壑，整體也相對(duì)粗糙。

同時(shí)通過(guò)圖6可知，4種樣品的柱型圖隨熱處理時(shí)間的增加逐漸變矮，其中最高的為未處理材，最矮的為熱處理4 h樣品，兩者差值為0.49 μm。熱處理過(guò)程中，1 h與2 h粗糙度數(shù)值接近，但1 h樣品粗糙度略大。樣品表現(xiàn)出隨熱處理時(shí)間的增加，其粗糙度逐漸變小，但數(shù)值的改變并不大的現(xiàn)象，說(shuō)明杉木在180 ℃時(shí)對(duì)熱處理不敏感。

可得出結(jié)論，杉木樣品包括未處理在內(nèi)，在熱處理過(guò)程中，樣品表面的裂縫因?yàn)闊崽幚淼脑蚨饾u變小，樣品表面層次感變低，紋理也越來(lái)越清晰。即隨著熱處理時(shí)間的增加，樣品表面越光滑。即未處理、熱處理1 h、熱處理2 h、熱處理4 h的粗糙度逐漸變小。

3.4 毛白楊木材熱處理后粗糙度及形貌分析

在蒸汽保護(hù)熱處理的情況下，毛白楊不一樣的熱處理時(shí)間得到了不一樣的粗糙度數(shù)據(jù)和圖片，結(jié)合圖7可知，在微觀(guān)形貌上，將未處理材與熱處理2 h、4 h比較，發(fā)現(xiàn)隨熱處理時(shí)間增加，樣品表面大而深的溝槽及表面木毛明顯減少，起伏狀況明顯減弱，同時(shí)附著物逐漸減少，其間的間隙、孔洞也逐漸變小，樣品表面趨于光滑平整。但1 h樣品因?yàn)槎虝r(shí)間的熱處理，導(dǎo)致其表面出現(xiàn)了較明顯的開(kāi)裂，故其表面比未處理樣品還要粗糙。

同時(shí)由圖8可知，樣品在熱處理1 h時(shí)，粗糙度先增加，出現(xiàn)最大值，隨后粗糙度逐漸減小，在4 h時(shí)出現(xiàn)最小值，兩者差值為1.95 μm。而未處理樣品的粗糙度處于熱處理1 h樣品和熱處理2 h樣品之間。同時(shí)可以看到，熱處理1 h、2 h之間，木材粗糙度改變較大，2 h、4 h之間粗糙度改變則較小，說(shuō)明毛白楊熱處理時(shí)間越久，對(duì)熱處理越不敏感。

由此可得，由于毛白楊在加熱1 h時(shí)，受熱處理影響，導(dǎo)致其樣品表面裂痕不整齊，層次感較明顯，所以粗糙度比未處理更高，而隨著熱處理時(shí)間的增加，塊狀物開(kāi)始聚合，裂痕慢慢變小，其粗糙度又逐漸變小，樣品表面逐漸變穩(wěn)定。其樣品粗糙度在2 h時(shí)就已經(jīng)低于未處理樣品，在隨后加熱至4 h的過(guò)程中，樣品粗糙度繼續(xù)下降，比2 h時(shí)還要略低。若單獨(dú)將熱處理1 h、2 h、4 h進(jìn)行對(duì)比，則發(fā)現(xiàn)隨熱處理時(shí)間的增加，其樣品表面粗糙度變小。

4. 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)所使用的樣品有4種，分別為馬尾松、北美短葉松、杉木和毛白楊。4種木材均是在180℃恒溫條件下進(jìn)行熱處理。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示4種不一樣的木材在熱處理后粗糙度出現(xiàn)了3種變化趨勢(shì)，其中北美短葉松的粗糙度在1～4 h過(guò)程中逐漸變大，即并不是所有的木材都是隨熱處理時(shí)間增加，其粗糙度變小。

（2）在微觀(guān)形貌方面，實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到在恒溫180℃的熱處理過(guò)程中，4種木材均會(huì)產(chǎn)生很多碎片。結(jié)合所測(cè)量的4種木材樣品的粗糙度數(shù)值，發(fā)現(xiàn)這個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致粗糙度及方差數(shù)值的改變，但這不是影響木材粗糙度的唯一變量。

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